Ag-Cu-Ti 釬料下20Cr低合金鋼真空釬焊工藝研究

蔣和躍，周長(zhǎng)征，陳科仲

(陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐重慶地區(qū)第六軍事代表室，重慶 400052)

0 引言

由于人們?cè)絹?lái)越關(guān)注強(qiáng)度較高的合金鋼應(yīng)用，同時(shí)，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，各種金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)、工程應(yīng)用方面得到大量的運(yùn)用。中國(guó)目前鋼鐵工業(yè)最大的問(wèn)題已經(jīng)不是產(chǎn)量的問(wèn)題，而是工程應(yīng)用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的問(wèn)題[1]。采用更高強(qiáng)度的低合金鋼來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材是目前金屬材料工程應(yīng)用的發(fā)展方向。高強(qiáng)度低合金由于具有強(qiáng)度較高、使用性能好、同工件尺寸條件下的使用量更少等優(yōu)點(diǎn)，在航海、航天、汽車(chē)、化工、軍事裝備等行業(yè)得到越來(lái)越多的應(yīng)用[2]。

Ag-Cu-Ti釬料熔點(diǎn)相對(duì)較低，流動(dòng)性能好且力學(xué)性能優(yōu)異。Ti元素的加入能夠提高釬料的活性，提高釬料的鋪展?jié)櫇衲芰?，從而提高接頭性能。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的焊接母材為 20Cr低合金鋼，釬料為自制的Ag- 29%Cu- 2%Ti，焊前將焊接母材尺寸加工為20 mm×20 m×3 mm，釬料經(jīng)軋制后制成尺寸為20 mm×20 m×0.3 mm的箔片。焊前先用120#砂紙打磨去除20Cr低合金鋼待焊表面雜質(zhì)，之后將母材與釬料片分別放入無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗去除待焊表面油污、顆粒。此后將母材與釬料呈“三明治”狀放入石墨夾具。在多功能真空擴(kuò)散焊機(jī)中進(jìn)行真空釬焊，當(dāng)真空度達(dá)到1×10-2Pa時(shí)開(kāi)始以15℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱 。焊后垂直于釬縫制取金相試樣，使用光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣的組織。

將釬焊接頭切割成適合放進(jìn)剪切夾具的長(zhǎng)條狀，并放置在自制的剪切夾具中。使用WD.100 KE型萬(wàn)能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min的加載速度進(jìn)行剪切試驗(yàn)，測(cè)試接頭的抗剪強(qiáng)度。相同焊接參數(shù)下3個(gè)試樣的剪切強(qiáng)度的平均值作為該參數(shù)下的釬焊接頭剪切強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 釬焊溫度對(duì)20Cr合金鋼接頭形貌的影響

當(dāng)釬焊溫度為835℃時(shí)，釬料在此溫度下元素的擴(kuò)散能力較差，焊縫表面上部分位置出現(xiàn)未焊合。當(dāng)釬焊溫度為860℃時(shí)，釬料的鋪展?jié)櫇裥栽鰪?qiáng)，釬料向外浸潤(rùn)的區(qū)域增加。焊縫的成型美觀，并且沒(méi)有釬料溢出的現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)釬焊溫度為880℃時(shí)，釬料在此溫度下的黏度較低，擴(kuò)散能力最強(qiáng)，熔化的釬料極易在母材擠壓下溢出釬縫，造成釬料流失、釬縫減薄。

當(dāng)焊接溫度為850℃ 時(shí)，20Cr合金鋼焊接接頭界面的釬縫較厚，孔洞較多，隨著焊接溫度不斷升高，釬縫厚度逐漸減小，孔洞消失。

當(dāng)焊接的溫度為835℃時(shí)，當(dāng)在此較低的釬焊焊接溫度下，可以看到在釬縫層金屬/鋼界面出現(xiàn)少量的細(xì)微孔洞以及未潤(rùn)濕區(qū)域。當(dāng)釬焊溫度為865℃與 880℃時(shí)，此時(shí)的釬焊焊縫界面的成型良好。

2.2 釬焊溫度對(duì)20Cr合金鋼接頭力學(xué)性能的影響分析

隨著釬焊溫度由835℃增加到880℃，釬焊接頭的抗剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升然后大幅下降的趨勢(shì)。釬焊接頭抗剪切強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在焊接溫度865℃時(shí)，其抗剪切強(qiáng)度峰值能夠達(dá)到227.6 MPa。

2.3 保溫時(shí)間對(duì)20Cr合金鋼接頭形貌的影響

采用不同的釬焊焊接保溫時(shí)間所得到的釬焊接頭宏觀形貌如圖1所示。焊接時(shí)間分別為20 min、30 min、40 min時(shí)，焊縫外部的形貌沒(méi)有太明顯的差別，厚度比較均勻，試樣邊緣的鋪展?jié)櫇癖容^優(yōu)良，沒(méi)有明顯的孔洞與釬料的溢出。

在不同保溫時(shí)間下獲得接頭的橫截面組織形貌如圖1所示，當(dāng)釬焊保溫時(shí)間分別為20 min、30 min、40 min時(shí)，釬縫的厚度基本沒(méi)有明顯的變化。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬縫的厚度沒(méi)有出現(xiàn)較大變化，當(dāng)采用的釬焊溫度相同，但在不同的保溫時(shí)間下，其連接界面沒(méi)有明顯和較大的縮孔裂紋等缺陷；溫度相同，但在不同的保溫時(shí)間下，其連接界面沒(méi)有明顯的較大的縮孔裂紋等缺陷。

圖1 不同保溫時(shí)間焊縫橫截面形貌

2.4 釬焊溫度對(duì)20Cr合金鋼接頭力學(xué)性能的影響分析

隨著焊接保溫時(shí)間從20 min增加到40 min。釬焊接頭的抗剪切強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大、后減小的變化特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)整體變化上看，釬焊保溫時(shí)間對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響十分明顯，當(dāng)焊接保溫時(shí)間為30 min時(shí)，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值227.6 MPa。而釬焊保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短，焊縫的強(qiáng)度都會(huì)有一定的下降。

通過(guò)綜合分析認(rèn)為，當(dāng)釬焊時(shí)焊接保溫時(shí)間較短時(shí)，由于液態(tài)釬料與母材金屬界面的作用時(shí)間較短，液態(tài)金屬能在母材金屬表面鋪展?jié)櫇?，但液態(tài)釬料與母材產(chǎn)生冶金反應(yīng)的時(shí)間較短，釬料與母材原子的相互擴(kuò)散時(shí)間較短，焊縫的元素?cái)U(kuò)散與冶金反應(yīng)不充分導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度降低，力學(xué)性能下降，焊縫的剪切強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)下降。當(dāng)釬焊的保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，液態(tài)釬料與母材金屬表面的作用時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)焊縫接頭長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中，釬料金屬與母材金屬此條件下的界面反應(yīng)產(chǎn)生裂紋及孔洞，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能不高。

3 結(jié)論

1)在對(duì)真空釬焊焊接溫度對(duì)釬焊接頭力學(xué)性能影響的規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)：隨著真空釬焊溫度由835℃增加到880℃，釬焊接頭的抗剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加、后下降的變化趨勢(shì)。當(dāng)釬焊溫度為865℃時(shí)可以得到成型良好的接頭，在該釬焊參數(shù)下得到的接頭的抗剪切強(qiáng)度可達(dá)到227.6 MPa。

2)在研究釬焊保溫時(shí)間對(duì)釬焊接頭性能影響的工藝規(guī)律中發(fā)現(xiàn)：隨著釬焊保溫時(shí)間從20 min 增加到40 min的過(guò)程中，釬焊接頭的力學(xué)性能便呈現(xiàn)出先增加、后下降的變化。當(dāng)保溫時(shí)間為30 min時(shí)，釬料/鋼界面結(jié)合良好，無(wú)明顯的缺陷。